Tổng quan nghiên cứu

Khu vực cửa sông ven biển thành phố Hải Phòng sở hữu hơn 3.000 ha đầm nuôi thủy sản nước lợ, đóng vai trò xung yếu đối với sinh kế địa phương và an ninh lương thực khu vực. Tuy nhiên, sự hình thành và bứt phá của Khu kinh tế Đình Vũ - Cát Hải với tổng diện tích quy hoạch 216 km² cùng 4 tổ hợp công nghiệp DEEP C (tổng diện tích trên 2.223 ha) đã tạo nên áp lực môi trường vô cùng lớn. Trạm xử lý nước thải tập trung của Khu công nghiệp Đình Vũ tiếp nhận và thải ra môi trường lưu lượng trung bình 5.500 m³/ngày đêm (công suất tối đa 6.000 m³/ngày đêm), mang theo các chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng đổ trực tiếp ra sông Cấm và cửa sông Bạch Đằng. Sự phân tán và tích lũy của các kim loại độc hại như Asen, Cadimi, Đồng và Thủy ngân đe dọa trực tiếp đến 775,98 ha rừng ngập mặn và hệ sinh thái ven bờ.

Trước thực trạng đó, đề tài tập trung ứng dụng tổ hợp mô hình toán hai chiều MIKE 21 nhằm mô phỏng chi tiết chế độ thủy động lực và dự báo quy luật lan truyền kim loại nặng tại vùng cửa sông ven biển quận Hải An. Nghiên cứu khai thác chuỗi dữ liệu hải văn - khí tượng kéo dài từ năm 1956 đến năm 2016 tại trạm Hòn Dấu kết hợp dữ liệu quan trắc chất lượng nước giai đoạn 2015 - 2016. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học định lượng giúp các cơ quan quản lý nhà nước kiểm soát tải lượng ô nhiễm, đồng thời xây dựng phương án ứng phó sự cố môi trường nước hiệu quả cho vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy động lực học dòng chảy nước nông hai chiều (2D Shallow Water Equations), tích phân hệ phương trình vi phân Navier-Stokes theo phương thẳng đứng kết hợp giả thiết áp suất thủy tĩnh và giả thiết Boussinesq. Quá trình mô phỏng sóng biển sử dụng lý thuyết động lực học sóng trọng lực nước nông (Spectral Wave Dynamics) dựa trên phương trình mật độ tác động sóng. Quá trình lan truyền vật chất được giải thích thông qua lý thuyết truyền tải - khuếch tán chất không bảo toàn (Advection-Diffusion Theory) tích hợp các phản ứng động học sinh - hóa.

Mô hình nghiên cứu định nghĩa và liên kết chặt chẽ các khái niệm cốt lõi: hệ số nhám Chezy, hệ số khuếch tán rối ngang, ứng suất tiếp xúc đáy, lực Coriolis và hiện tượng tích lũy sinh học (biomagnification) của kim loại nặng trong chuỗi thức ăn thủy sinh.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp mô hình toán chuyên sâu thông qua bộ phần mềm MIKE do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển:

  • Mô-đun sóng MIKE 21 SW mô phỏng trường sóng gió ven bờ trên lưới phi cấu trúc.
  • Mô-đun thủy lực MIKE 21 FM HD mô phỏng mực nước và trường vận tốc dòng chảy 2 chiều.
  • Mô-đun chất lượng nước MIKE 21 FM EcoLab tính toán truyền tải, khuếch tán và phân hủy chất ô nhiễm.

Dữ liệu đầu vào bao gồm bình đồ độ sâu từ hải đồ Bộ Tư lệnh Hải quân, dữ liệu gió tái phân tích GFS từ NOAA độ phân giải 0,5 độ, chuỗi số liệu mực nước thực đo 64 năm tại trạm Hòn Dấu và lưu lượng các nhánh sông kế thừa từ mô hình MIKE 11 HD. Cỡ mẫu quan trắc chất lượng nước gồm 29 thông số hóa lý được lấy tại 12 vị trí đại diện ven bờ Hải Phòng qua 4 đợt quan trắc (tháng 8 và tháng 11 các năm 2015, 2016) theo phương pháp lấy mẫu tầng mặt ngẫu nhiên phân tầng. Lý do lựa chọn mô hình MIKE 21 FM là khả năng thiết lập lưới tam giác phi cấu trúc linh hoạt, mô tả chính xác địa hình luồng lạch phức tạp vùng cửa sông Bạch Đằng và kỹ thuật quét luân hướng ADI giúp tối ưu hóa độ ổn định số trị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực MIKE 21 HD cho thấy mức độ tương thích rất cao giữa số liệu tính toán và số liệu thực đo tại trạm Hòn Dấu, hệ số tương quan đạt trên 0,84 đến 0,92 và sai số mực nước đỉnh triều dưới 5%. Chế độ thủy triều tại khu vực mang tính chất nhật triều thuần nhất với biên độ dao động lớn từ 2,0 m đến 4,0 m, mực nước trung bình mùa mưa đạt 191,83 cm và mùa khô đạt 179,67 cm. Đáng chú ý, thời gian triều rút dài hơn thời gian triều dâng trung bình 2 giờ 16 phút, tạo ra động lực đẩy mạnh mẽ các khối nước ô nhiễm ra ngoài khơi.

Ở điều kiện xả thải bình thường (nước thải đạt QCVN 40:2011/BTNMT Cột B với hàm lượng Asen 0,002 mg/l, Cadimi 0,002 mg/l, Đồng 0,045 mg/l, Thủy ngân 0,0003 mg/l), nồng độ các chất nhanh chóng pha loãng và suy giảm từ 70% đến 85% trong phạm vi bán kính 500 m tính từ cửa xả. Tuy nhiên, khi mô phỏng kịch bản sự cố trạm xử lý nước thải xả thẳng nước thải chưa qua xử lý (BOD5 đạt 331 mg/l, COD 482 mg/l, TSS 118 mg/l), diện tích vùng nước vượt ngưỡng cho phép theo QCVN 10:2008/BTNMT tăng gấp 3,5 lần, vệt ô nhiễm lan xa từ 3 km đến 5 km dọc theo luồng sông Cấm ra cửa Nam Triệu.

Thảo luận kết quả

Sự phân tán chất ô nhiễm chịu sự chi phối mang tính quyết định của trường gió mùa và hoàn lưu triều. Vào mùa mưa, gió hướng Đông Nam và Nam chiếm ưu thế tuyệt đối (tổng tần suất trên 42%) kết hợp lưu lượng xả lũ thượng nguồn đẩy vệt ô nhiễm lan nhanh về phía Cát Hải. Ngược lại, vào mùa khô với gió Đông Bắc chiếm tần suất 32,20%, khối nước ô nhiễm có xu hướng bị ép sát vào bờ phía quận Hải An.

Kết quả này hoàn toàn nhất quán với nghiên cứu của Trần Hồng Thái (2017) và Hồ Việt Cường (2015) khi đánh giá lan truyền chất vùng biển Đồ Sơn. Các bản đồ đẳng nồng độ trích xuất từ mô hình GIS và đồ thị chuỗi thời gian nồng độ chất ô nhiễm cho thấy rõ sự tích lũy kim loại nặng tại các khu vực nước nông ven bờ, giải thích nguyên nhân hệ số tích tụ Cadimi trong trầm tích đầm nuôi Cát Hải lên tới 2,11 lần so với môi trường nước tự nhiên.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng không gian và thời gian của các kịch bản lan truyền ô nhiễm, 4 nhóm giải pháp chiến lược được đề xuất:

  1. Lắp đặt hệ thống quan trắc tự động và kiểm soát nguồn thải tại nguồn: Triển khai trạm quan trắc online 24/7 tại họng xả của trạm xử lý nước thải KCN Đình Vũ, truyền dữ liệu trực tiếp về Sở Tài nguyên và Môi trường Hải Phòng trước năm 2020. Đảm bảo 100% lưu lượng nước thải 5.500 m³/ngày được kiểm soát chặt chẽ các chỉ tiêu kim loại nặng theo Cột A QCVN 40:2011/BTNMT. Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý Khu kinh tế Hải Phòng và Chủ đầu tư KCN Đình Vũ.

  2. Xây dựng hồ sinh học phòng ngừa và ứng phó sự cố: Thiết lập hồ sự cố có dung tích tối thiểu 18.000 m³ (đáp ứng khả năng lưu chứa nước thải thô trong 3 ngày vận hành tối đa) tích hợp các bãi lọc thực vật ngập nước nhân tạo trong giai đoạn 2019 - 2021 nhằm hấp phụ kim loại trước khi thoát ra sông Cấm. Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp phát triển hạ tầng KCN DEEP C.

  3. Tối ưu hóa quy trình xả thải theo chu kỳ thủy triều: Điều chỉnh lịch xả nước thải định kỳ vào các pha triều rút mạnh (khi vận tốc dòng chảy đạt trên 0,8 m/s và thời gian rút kéo dài hơn 2 giờ) nhằm tận dụng năng lượng dòng chảy để tăng hiệu quả pha loãng tự nhiên thêm 35% - 45%, tuyệt đối không xả thải vào thời điểm triều đứng hoặc triều lên. Chủ thể thực hiện: Đơn vị vận hành hệ thống xử lý nước thải tập trung.

  4. Quy hoạch phân vùng bảo vệ nguồn nước và nuôi trồng thủy sản: Thiết lập vùng đệm an toàn cách ly tối thiểu 1,5 km xung quanh các họng xả thải công nghiệp; định kỳ 3 tháng/lần tiến hành lấy mẫu kiểm tra độc tính sinh học tại 775,98 ha rừng ngập mặn và 3.000 ha bãi triều nuôi ngao huyện Cát Hải giai đoạn 2020 - 2025. Chủ thể thực hiện: Ủy ban nhân dân quận Hải An phối hợp Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường (Sở TN&MT Hải Phòng, Chi cục BVMT): Ứng dụng bản đồ lan truyền ô nhiễm và bộ thông số thủy lực để thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM), cấp phép xả nước thải và xây dựng mạng lưới quan trắc môi trường biển tự động.
  • Chủ đầu tư hạ tầng và doanh nghiệp khu công nghiệp (Tổ hợp DEEP C, KCN Đình Vũ): Sử dụng các kịch bản mô phỏng sự cố để hoàn thiện phương án phòng ngừa rủi ro hóa chất, tối ưu hóa công nghệ xử lý nước thải công suất 6.000 m³/ngày đêm.
  • Nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Môi trường, Hải dương học: Kế thừa phương pháp luận tích hợp mô hình MIKE 21 SW, HD và EcoLab trên lưới phi cấu trúc để giải quyết các bài toán ô nhiễm nguồn điểm tại các vùng cửa sông hình thái phức tạp.
  • Chính quyền địa phương và cộng đồng nuôi trồng thủy sản quận Hải An, Cát Hải: Khai thác dữ liệu phân bố chất lượng nước để xây dựng lịch lấy nước vào đầm nuôi an toàn, hạn chế tối đa nguy cơ ngộ độc thủy sản do kim loại nặng tích tụ.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình MIKE 21 FM có ưu điểm gì vượt trội so với các mô hình thủy lực truyền thống khi áp dụng tại Hải Phòng?
Mô hình MIKE 21 FM ứng dụng mạng lưới tam giác phi cấu trúc linh hoạt, cho phép làm mịn lưới tại các khu vực đường bờ quanh co và luồng tàu hẹp như sông Cấm và cửa Nam Triệu. Khác với lưới vuông truyền thống, phương pháp này mô tả chính xác tương tác dòng chảy - địa hình đáy phức tạp ven biển Hải Phòng với sai số mực nước thực đo dưới 5%.

Yếu tố khí tượng nào ảnh hưởng lớn nhất đến hướng di chuyển của vệt ô nhiễm công nghiệp?
Chế độ gió mùa là động lực khí tượng chi phối chính. Vào mùa đông, gió Đông Bắc với tần suất 32,20% ép dòng thải chảy dọc bờ biển Hải An. Vào mùa hè, gió Đông Nam với tần suất trên 18,99% đẩy khối nước ô nhiễm phân tán rộng sang khu vực vịnh Lạch Huyện và đảo Cát Hải.

Tại sao nồng độ kim loại nặng trong nước thải đạt chuẩn vẫn có thể gây hại cho hệ sinh thái đầm nuôi?
Mặc dù nồng độ kim loại nặng như Cadimi (0,002 mg/l) hay Asen (0,002 mg/l) trong nước thải sau xử lý đạt giới hạn cho phép, các chất này không bị phân hủy sinh học mà tích tụ liên tục vào trầm tích và sinh vật đáy. Qua chuỗi thức ăn, độc tính tăng theo cấp số nhân với hệ số tích tụ Cadimi trong đầm nuôi lên đến 2,11 lần.

Kịch bản sự cố xả thải của KCN Đình Vũ được tính toán dựa trên những giả định nào?
Kịch bản sự cố giả định nhà máy xử lý nước thải 6.000 m³/ngày hỏng hóc hoàn toàn, xả thẳng nước thải thô chứa hàm lượng BOD5 331 mg/l, COD 482 mg/l và nồng độ kim loại nặng chưa lắng lọc ra sông Cấm liên tục trong các pha triều lên và triều xuống để xác định vùng đệm ảnh hưởng tối đa.

Mô hình EcoLab trong luận văn có khả năng mở rộng để tính toán các thông số ô nhiễm khác không?
EcoLab là mô-đun sinh thái mở hoàn toàn. Ngoài 4 kim loại nặng đã mô phỏng, hệ thống phương trình vi phân có thể tích hợp thêm các quá trình phân hủy dầu mỡ khoáng (hàm lượng thô 4,5 mg/l), chất dinh dưỡng Nitơ - Phốt pho, tổng chất rắn lơ lửng TSS và vi khuẩn Coliform để phục vụ quan trắc đa thông số.

Kết luận

  • Ứng dụng thành công tổ hợp mô hình số trị hai chiều MIKE 21 (SW, FM HD, EcoLab) mô phỏng chính xác chế độ thủy thạch động lực và lan truyền kim loại nặng tại vùng cửa sông ven biển quận Hải An.
  • Làm rõ quy luật dòng chảy chịu tác động của chế độ nhật triều thuần nhất với biên độ trung bình 185,75 cm và sự chi phối đối nghịch của hai mùa gió Đông Bắc - Đông Nam.
  • Lượng hóa chi tiết mức độ phân tán của 4 kim loại độc hại (As, Cd, Cu, Hg) từ nguồn thải 5.500 m³/ngày của KCN Đình Vũ trong cả điều kiện xả thải tiêu chuẩn và kịch bản sự cố môi trường.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật và quản lý môi trường toàn diện, trọng tâm là lắp đặt quan trắc online, xây dựng hồ sự cố 18.000 m³ và xả thải theo pha triều rút.
  • Tạo lập cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy hỗ trợ quy hoạch không gian biển và bảo vệ bền vững hệ sinh thái rừng ngập mặn ven bờ thành phố Hải Phòng tầm nhìn đến năm 2030.

Luận văn là tài liệu tham khảo khoa học và ứng dụng công nghệ mô hình hóa giá trị cho các nhà nghiên cứu, kỹ sư môi trường và nhà hoạch định chính sách phát triển bền vững kinh tế biển.